夏店區(qū)塊低恒套壓下井底流壓控制研究與應(yīng)用

竇 武 王冀川 李洪濤 何 軍 樊 彬

(山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 048000)

夏店區(qū)塊低恒套壓下井底流壓控制研究與應(yīng)用

竇 武 王冀川 李洪濤 何 軍 樊 彬

(山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 048000)

煤層氣排采通過控制井底流壓，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)排采。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，提出了只通過控制液柱高度實(shí)現(xiàn)井底流壓精確控制的低恒套壓下井底流壓控制方法及控制技術(shù)。在煤層氣井整個(gè)排采過程中，不控制煤層氣井產(chǎn)氣量，產(chǎn)氣閥門完全打開，套壓基本與管壓相等，維持一個(gè)相對(duì)低且穩(wěn)定的狀態(tài)，僅通過控制液柱高度實(shí)現(xiàn)井底流壓控制，此種控制模式即即為低恒套壓排采模式，此種排采方式完全取締了傳統(tǒng)的角閥控制，依托自動(dòng)化系統(tǒng)，采用智能排采技術(shù)和智能間開技術(shù)，精準(zhǔn)的控制井底流壓，從而保證煤層氣井平穩(wěn)運(yùn)行，減少了煤層氣井排采控制參數(shù)，排采控制更簡(jiǎn)單，問題出現(xiàn)更容易判斷，處理更高效。

煤層氣井 精細(xì)化排采 放氣 套壓 低恒套壓控制 智能排采技術(shù) 夏店區(qū)塊

1 夏店區(qū)塊排采控制現(xiàn)狀

夏店區(qū)塊煤層氣井大部分排采時(shí)間已經(jīng)超過4年，一直沿用既控制套壓，又控制流壓的雙環(huán)排采控制模式，該排采模式前期通過長(zhǎng)時(shí)間的排水，擴(kuò)大壓降面積，將井底流壓降到解析壓力。當(dāng)煤層氣井開始解吸，套管中產(chǎn)生井口回壓即套壓，采取“憋套壓、穩(wěn)流壓”的排采方式，套壓憋到0.5MPa左右時(shí)，上井進(jìn)行調(diào)氣操作，保證井底流壓穩(wěn)定。產(chǎn)氣后期井底流壓基本與套壓持平，通過上井調(diào)氣控制煤層氣井，在整個(gè)排采過程中套壓在其中只起到保護(hù)煤層氣井流壓不突降的作用，煤層氣排采控制核心依然是井底流壓，可見僅通過井底流壓控制煤層氣井是可行的；同時(shí)“憋壓穩(wěn)流”此種排采模式還存在一些問題：①將套壓憋到一定值后放氣，雖然保證了井底流壓穩(wěn)定，但是可能對(duì)煤層氣井產(chǎn)氣能力有一定抑制。②套壓、管壓、井底流壓、多參數(shù)控制導(dǎo)致排采管控復(fù)雜。③煤層氣井產(chǎn)氣階段需要通過人工控制角閥開度，排采人員需要上現(xiàn)場(chǎng)調(diào)氣，產(chǎn)氣階段調(diào)氣比較頻繁，工作量大。④冬季需要電伴熱保溫，耗電量高?；谝陨显?，提出煤層氣井低恒套壓井底流壓控制方法。

2 低恒套壓下井底流壓控制技術(shù)原理

在煤層氣井整個(gè)排采過程中，不控制煤層氣井產(chǎn)氣量產(chǎn)氣閥門完全打開，套壓基本與管壓相等，維持一個(gè)相對(duì)低且穩(wěn)定的狀態(tài)，通過控制井底流壓，控制煤層氣井排采。此種排采模式即為低恒套壓排采模式，如圖1所示為低恒套壓控制原理圖。

圖1 長(zhǎng)治地區(qū)低恒套壓控制原理

在正常憋壓排采模式下井底流壓計(jì)算公式為：

井底流壓=氣柱壓力+液柱壓力

當(dāng)套壓上升時(shí)井底流壓會(huì)下降，套壓值和井底流壓負(fù)相關(guān)。

在低恒套壓排采模式下，井底流壓的計(jì)算公式為：

井底流壓≈液柱壓力(套壓低恒)

由于產(chǎn)氣閥門完全敞開，井筒內(nèi)氣柱的壓力基本為0，井底流壓基本和液柱壓力相等，因此控制井底流壓即控制井筒內(nèi)液柱壓力，低恒套壓排采模式下井底流壓控制即為井筒內(nèi)“液柱控制”。

3 低恒套壓下井底流壓控制技術(shù)難點(diǎn)

根據(jù)低恒套壓控制技術(shù)原理可知，井筒內(nèi)液柱控制是該控制技術(shù)的核心，如何保證井筒內(nèi)液柱穩(wěn)定是該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，然而在煤層氣排采過程中有以下三個(gè)因素會(huì)導(dǎo)致井筒內(nèi)液柱出現(xiàn)大幅變化。

3.1 地層產(chǎn)液量的變化

煤層氣井壓裂改造后滲透率基本穩(wěn)定，產(chǎn)水量一般不會(huì)突變，但排采初期降壓階段產(chǎn)水量比較大，在臨界解吸階段產(chǎn)水量有小幅變化，當(dāng)煤層氣井解吸進(jìn)入產(chǎn)氣階段時(shí)解出現(xiàn)氣水兩相流狀態(tài)，煤層的供水大幅度減少，此時(shí)井筒內(nèi)液柱會(huì)出現(xiàn)大幅變化，此種情況很難控制，如果控制方式不當(dāng)會(huì)造成井底流壓的大幅波動(dòng)。

3.2 管壓的大幅波動(dòng)

低恒套壓狀態(tài)下，角閥需要完全敞開，套壓和管壓相同，當(dāng)集氣站壓縮機(jī)出現(xiàn)問題，造成管壓出現(xiàn)異常波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致井底流壓隨管壓的大幅度波動(dòng)而波動(dòng)， 如果控制不當(dāng)也會(huì)造成井底流壓的大幅度波動(dòng)。

3.3 抽油機(jī)等排采設(shè)備出現(xiàn)故障

皮帶輪松動(dòng)，變頻器故障，電機(jī)出現(xiàn)故障直接會(huì)影響井底流壓，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)警，當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題時(shí)及時(shí)告警才能保證井底流壓穩(wěn)定，為了實(shí)現(xiàn)低恒套壓井底流壓控制對(duì)此三方面進(jìn)行了研究并對(duì)智能排采程序進(jìn)行改進(jìn)。

4 低恒套壓下井底流壓控制技術(shù)方法

針對(duì)低恒套壓井底流壓控制技術(shù)特點(diǎn)，及上述三個(gè)關(guān)鍵性問題，結(jié)合長(zhǎng)治地區(qū)現(xiàn)有的智能控制技術(shù)成果，研制了一套功能完善的低恒套壓下井底流壓的控制方法，該方法以井底流壓為核心，在自動(dòng)化上位機(jī)軟件系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定井底流壓下降速度值，結(jié)合智能排采和智能間開技術(shù)，根據(jù)井下壓力計(jì)采集的井底流壓變化情況控制程序自動(dòng)計(jì)算控制變頻器調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，井底流壓按照設(shè)定值自動(dòng)均勻下降,圖2所示為智能排采控制原理圖。

圖2 長(zhǎng)治地區(qū)智能排采控制原理圖

恒套壓排采模式由于無套壓保護(hù)要求井底流壓控制更精細(xì)，原智能排采控制模型已無法滿足需要，因此通過對(duì)低恒套壓控制原理的研究，形成了一套新的排采控制思路，編制了一套完善的智能控制程序，其控制思路如下：

(1)采集智能排采啟用前8小時(shí)頻率，計(jì)算8小時(shí)平均頻率，以此頻率啟井。

(2)在6分鐘內(nèi)采集10次流壓值做平均，以平均井底壓力為初始井底流壓。

(3)6分鐘為一個(gè)周期，檢查一次當(dāng)前流壓值。

(4)6分鐘一個(gè)采集點(diǎn)，日采集240個(gè)點(diǎn)，根據(jù)排采工作制度計(jì)算每6分鐘應(yīng)達(dá)到的井底流壓值。

(5)每時(shí)刻的井底流壓值與按照排采工作制度計(jì)算出的流壓值進(jìn)行比較，進(jìn)行增減頻率操作，分為以下六類：

① 井底流壓值與計(jì)算流壓相差不超過0.002MPa，周期內(nèi)增加或減少0.1Hz頻率;

② 井底流壓值與計(jì)算流壓相差，超過0.002MPa不超過0.003MPa，周期內(nèi)增加或減少0.2Hz頻率;

③ 井底流壓值與計(jì)算流壓相差，超過0.003MPa不超過0.004MPa，周期內(nèi)增加或減少0.3Hz頻率;

④ 井底流壓值與計(jì)算流壓相差，超過0.004MPa不超過0.005MPa，周期內(nèi)增加或減少0.5Hz頻率;

⑤ 當(dāng)井底流壓與計(jì)算流壓相差，超過0.005MPa不超過0.01MPa，周期內(nèi)增加或減少1Hz頻率;

⑥ 當(dāng)井底流壓與計(jì)算流壓相差，超過0.01MPa不超過0.05MPa，周期內(nèi)增加或減少2Hz頻率。

(6)當(dāng)頻率增減超過初始頻率的40%時(shí),頻率保持不變上位機(jī)告警，人工上井處理。

(7)當(dāng)井底流壓下降過快無法滿足工作制度時(shí)，利用間開技術(shù)，自動(dòng)停井，保證井底流壓的穩(wěn)定。

(8)排采后期產(chǎn)水量逐漸減少，井筒內(nèi)出現(xiàn)無液現(xiàn)象，此時(shí)通過上位機(jī)設(shè)定啟停井壓力，實(shí)現(xiàn)智能間開。

同時(shí)為了排除設(shè)備影響及流壓突降，程序設(shè)計(jì)對(duì)采集數(shù)據(jù)自動(dòng)分析，上位機(jī)告警，比如：采集5個(gè)周期即半小時(shí)內(nèi)井底流壓對(duì)比，看井底流壓是否變化如一直不變上位機(jī)提示工作人員流壓計(jì)是否故障；采集相同頻率下沖次，分析10個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，如果沖次變化大說明皮帶輪或變頻器出現(xiàn)問題；當(dāng)出現(xiàn)管壓波動(dòng)和井底流壓突變問題時(shí)，智能排采控制系統(tǒng)采取應(yīng)對(duì)措施，當(dāng)采集到流壓值超過采集值的±20%時(shí)、當(dāng)管壓波動(dòng)值超過正常值±30%，判斷為異常狀態(tài)將原有的采集輸出周期變?yōu)?分鐘，快速反應(yīng)確保井底流壓穩(wěn)定。通過上位機(jī)對(duì)設(shè)備的提前預(yù)警，以及對(duì)突發(fā)情況應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)低恒套壓下井底流壓的的平穩(wěn)控制。

5 應(yīng)用效果

5.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

該程序從2016年5月份初步完成完成，程序可控階段多，覆蓋煤層氣井全生命周期排采，目前在長(zhǎng)治地區(qū)試驗(yàn)了六口井，井底流壓控制穩(wěn)定，節(jié)能明顯。

X-1井為長(zhǎng)治區(qū)塊一口代表井，該井前期采用“憋壓產(chǎn)氣”的排采方法，控制并不理想，井底流壓控制并不平穩(wěn)，日產(chǎn)氣量最高150m3(圖3)。

圖3 X-1未啟用低恒套壓控制前綜合曲線

圖4 X-1啟用低恒套壓控制后綜合曲線

圖5 X-2啟用低恒套壓控制后綜合曲線

9月23日試驗(yàn)啟用低恒套壓控制方法，將產(chǎn)氣閥門打開，套壓0.052與管壓0.051基本相等，井底流壓平穩(wěn)下井每天下降0.003MPa,日降壓誤差0.001MPa，未出現(xiàn)突變現(xiàn)象(圖4)。相比憋壓產(chǎn)氣方法，氣量有所上升，日產(chǎn)氣量最高可達(dá)230m3，同時(shí)省去了繁瑣的調(diào)放氣閥控制套壓的步驟，大大節(jié)約了排采成本。

X-2井為長(zhǎng)治地區(qū)一口二次壓裂井，該井完全采用低恒套壓控制方法(圖5)，投產(chǎn)時(shí)井底流壓為7.2MPa,工作制度為日降0.07MPa，控制精準(zhǔn)日降壓誤差在0.001MPa，在未用該程序前控制不理想，日降幅誤差超過0.01MPa，利用低恒套壓控制技術(shù)不僅控制精準(zhǔn)，同時(shí)不需排采人員值守，排采控制更高效，現(xiàn)井底流壓為0.3481MPa，產(chǎn)氣平穩(wěn)，已達(dá)到761m3/d，待進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)。

5.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

通過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，低恒套壓井底流壓控制技術(shù)在三方面有明顯優(yōu)勢(shì)：①控制簡(jiǎn)單只需要通過井底流壓一項(xiàng)參數(shù)控制即可，依托智能排采系統(tǒng)，排采人員無需值守。②控制精度高，日控制誤差為0.001MPa,液柱控制精度等級(jí)為厘米級(jí)。③不需控制氣量，角閥完全打開，將煤層氣井產(chǎn)氣能力完全表現(xiàn)出來，省去了人員上井調(diào)氣工作，同時(shí)冬季不需開伴熱帶保溫，節(jié)約了能量。

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(責(zé)任編輯 桑逢云)

Research and Application of Bottom Hole Flowing Pressure Control under Low Constant Casing Pressure in Xiadian Block

DOU Wu, WANG Jichuan, LI Hongtao, HE Jun, FAN Bin

(Shanxi CBM Exploration and Development Branch, PetroChina Huabei Oilfield Company, Shanxi 048000)

CBM drainage could realize stable and continuous production with the control of bottom hole flowing pressure. Based on the practice, the paper proposes the bottom hole flowing pressure method and technology under low constant casing pressure which realize the meticulous control of bottom hole flowing pressure only through the control of the height of liquid column. This control mode could be called as the low constant casing pressure drainage mode, in which during the whole drainage process, it is unnecessary to control the production of CBM wells, the gas valves are opened, the casing pressure is basically the same as the pipeline pressure, and under the relatively low and stable state, the bottom hole flowing pressure is controlled only through the control of the height of liquid column. This method could replaces the typical angle valve, and adopts intelligent drainage technology and with the supporting of automation system to accurately control the bottom hole flowing pressure and maintain the stable production of CBM wells. It also reduce the controlling parameter of CBM drainage to simplify the drainage control, and increase the processing efficiency when problems occurs.

CBM well; meticulous drainage; degassing; low constant; low constant casing pressure control; intelligent drainage technology; Xiadian Block

竇武，男，高級(jí)工程師，主要從事油氣田開發(fā)工作。